DE102020211401A1

DE102020211401A1 - Gaskonzentrationserfassung mittels thermoakustischer Schallwelle

Info

Publication number: DE102020211401A1
Application number: DE102020211401.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Eberl; Franz Jost; Stefan Kolb
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2022-03-10
Also published as: US11635410B2; CN114166936A; US20220074897A1

Abstract

Beschrieben wird ein Gassensor mit einem Heizer, einem Empfänger, und einem zwischen dem Heizer und dem Empfänger angeordneten Raum, wobei der Heizer ausgelegt ist, um unter Verwendung eines Anregungssignals eine sich durch den Raum ausbreitende thermoakustische Schallwelle zu erzeugen. Der Empfänger ist dabei dazu ausgelegt, um die thermoakustische Schallwelle, die sich durch den Raum ausgebreitet hat, zu empfangen und in ein Empfangssignal umzuwandeln, das eine laufzeitabhängige Verschiebung zu dem Anregungssignal und somit Informationen über eine Gaskonzentration in dem Raum aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit Gassensoren und Verfahren zum Bestimmen einer Gaskonzentration mittels thermoakustischen Schallwellen. Ferner befasst sich die vorliegende Offenbarung mit robusten H2-Sensoren, die eine integrierte Messung von Wärmeleitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit und/oder Temperatur ermöglichen.
Hintergrund der Erfindung
Gassensoren bilden eine Klasse von Sensoren, die in vielen Anwendungsbereichen Verwendung findet. In der Prozessindustrie können Gassensoren zur Prozessüberwachung oder auch zur Qualitätssicherung eingesetzt werden, im Bereich der Sicherheitstechnik dienen Gassensoren beispielsweise dem Explosionsschutz, dem Vergiftungsschutz oder zur Erkennung von Leckagen.
Einen weiteren wichtigen Anwendungsbereich für Gassensoren bildet die Automobilindustrie. Neben Lösungen wie beispielsweise einer Lambdasonde bei Ottomotoren gibt es insbesondere im Hinblick auf Fahrzeuge mit Brennstoffzellen Herausforderungen auf dem Feld der Gas-Sensorik.
Durch die zunehmende Verbreitung der Brennstoffzelle auch im automotiven Umfeld kann der Bedarf an geeigneter Sensorik, bspw. zur Überwachung und Steuerung, steigen. Da es sich hierbei um ein sicherheitsrelevantes Bauteil des Systems handeln kann, können die Anforderungen sehr hoch sein, einen langzeitstabilen, zuverlässigen und dennoch kostengünstigen Gassensor, bspw. Wasserstoffsensor, auf den Markt zu bringen.
Dafür können Gassensoren an die jeweiligen Eigenschaften eines zu detektierenden Gases angepasst sein. Im Fall von Wasserstoff können diese Eigenschaften die folgenden Aspekte umfassen:

- Wasserstoff kann bspw. den H2-Zustand nur unter atmosphärischen Bedingungen bilden.
- Beispielsweise aufgrund der Eigenschaft als kleinstes Atom kann Wasserstoff eine schnelle Effusion und Diffusion aufweisen, die zu einer Veränderung der chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Trägermaterials führen können.
- Wasserstoff kann chemisch sehr aktiv sein, sodass es ein stark reduzierendes Element, z.B. ein Reduktionsmittel, bildet.
- Wasserstoff kann eine Entflammbarkeit in Grenzen von 4-75% oder von 18-59% aufweisen.

Weitere Eigenschaften von Gasen, unter anderem von Wasserstoff, sind in den 3-5 aufgetragen.
3 zeigt eine Auftragung unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten, beispielsweise in $\frac{m}{s},$
für verschiedene Gase.
4 zeigt eine Auftragung spezifischer Wärmekapazitäten, beispielsweise in $\frac{k J}{k g K'}$
für verschiedene Gase.
5 zeigt eine Auftragung von Wärmeleitfähigkeiten, beispielsweise in $\frac{W}{m K'}$
für verschiedene Gase.
Es sei darauf hingewiesen, dass im weiteren Verlauf vorgestellte, offenbarungsgemäße Gassensoren auf einer oder mehrerer der zuvor beschriebenen Eigenschaften, bzw. Eigenschaftsunterscheidungen oder Aspekten beruhen können. Einzelne Eigenschaften oder Aspekte, beispielsweise von Wasserstoff, können in offenbarungsgemäßen Gassensoren Verwendung finden.
Stand der Technik
Im Folgenden werden einige herkömmliche Gassensoren, beispielsweise Wasserstoff-Gassensoren, bzw. deren Grundprinzipien beschrieben. Ferner kann die folgende Beschreibung einen technologischen Überblick über Gassensoren liefern.
Bisherige Lösungen für Sensoren, zum Beispiel Wasserstoff-Gassensoren, umfassen Sensoren, welche beispielsweise auf physikalischen Eigenschaften oder auf chemischen Eigenschaften basieren.
Eine solche physikalische Eigenschaft kann die Wärmeleitfähigkeit bilden. Die Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise durch die 3-Omega-Methode gemessen werden. Dabei können Temperaturoszillationen, z.B. aufgrund einer periodischen, eingebrachten Erwärmung gemessen und aus deren Frequenzabhängigkeit die Wärmeleitfähigkeit bestimmt werden. Die Anregung kann mit einer hohen Frequenz erfolgen, beispielsweise im Bereich von Kilohertz. Die Erfassung einer Oberwelle, beispielsweise der dritten Oberwelle, kann wiederum ein Maß für die Gaswärmeleitfähigkeit bilden. Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit kann ferner eine große Kontaktfläche mit konstanter Leistung beaufschlagt werden, wobei die Kontaktfläche abhängig von der Gaskonzentration unterschiedlich gekühlt wird, aufgrund der von der Gaskonzentration abhängigen Wärmeleitfähigkeit, so dass basierend auf der Wärmeleitfähigkeit auf die Gaskonzentration zurückgeschlossen werden kann.
Eine weitere physikalische Eigenschaft kann eine akustische Eigenschaft bzw. Akustik bilden. Ein entsprechender Sensor kann dabei beispielsweise die Änderung der Schallgeschwindigkeit mit Ultraschall-TOF (bspw. Time of Flight [dt. Flugzeit] oder Time-of-Flight-Laufzeitverfahren) ausnutzen. Dabei kann ein ausgesendetes Ultraschallsignal an einem zu detektierenden Gas reflektiert werden und aus der Time of Flight oder Signallaufzeit auf das Gas zurückgeschlossen werden.
Gassensoren auf Grundlage von chemischen Eigenschaften können Sensoren mit katalytischer Verbrennung umfassen. Diese können (bspw. mit PT) beschichtete Spulen in einer keramischen Matrix umfassen. Ferner kann ein Temperaturanstieg aufgrund der katalytischen Verbrennung stattfinden. Ein solcher Sensor kann ein Detektorelement, welches das katalytische Material umfasst, und ein Kompensationselement umfassen. Dabei kann ein zu detektierendes, brennbares Gas am Detektorelement verbrennen und eine Erhöhung der Temperatur verursachen, wobei der Widerstand des Detektorelementes steigt. Im Kompensationselement bleiben Temperatur und Widerstand näherungsweise konstant. Die Auswertung von Detektorelement und Kompensationselement kann mit einer Brückenschaltung erfolgen. Aus dem Unterschied der beiden Elemente kann dann auf das Gas bzw. die Gaskonzentration zurückgeschlossenen werden.
Weitere Gassensoren auf Grundlage von chemischen Eigenschaften können Halbleiter umfassen. Aufgrund eines Gases können sich elektrische Eigenschaften von z.B. integrierten Halbleiterelementen ändern, sodass beispielsweise anhand der Änderungen der elektrischen Eigenschaften auf das Gas bzw. dessen Konzentration zurückgeschlossen werden kann.
Halbleiter bzw. Halbleiterelemente können dabei zum Beispiel Folgendes umfassen:

- Schottky Dioden, beispielsweise mit einem Halbleitersubstrat, einer Isolatorschicht und einer auf der Isolatorschicht aufgebrachten Metallschicht,
- p-n Übergangsdioden, beispielsweise mit einem n-dotierten Halbleitersubstrat, einer p-dotierten Halbleiterschicht und einer auf der p-dotierten Halbleiterschicht aufgebrachten Metallschicht,
- MOS Transistoren beispielsweise mit einem n-dotierten Halbleitersubstrat, einem S- (bspw. Source) und einem D- (bspw. Drain) Anschluss im Halbleitersubstrat und einer, auf dem n-dotierten Halbleitersubstrat und dem S- und D- Anschluss aufgebrachten, Isolatorschicht und einer auf der Isolatorschicht aufgebrachten Metallschicht.

Gassensoren auf Grundlage chemischer Eigenschaften können ferner auf chemischresistiven Prinzipien oder Effekten (oder chemi-resistive, MOX, bspw. Metalloxid-Halbleitergassensoren) beruhen. Derartige Gassensoren können auf der Widerstandsänderung einer chemisch aktiven Beschichtung beruhen. Dabei können Elektronen abgegeben oder akzeptiert werden, oder Materialien und Stoffe zum Einsatz kommen, die Donatoren oder Akzeptoren für Elektronen bilden. Beispielsweise verändern einige Materialien ihre Leitfähigkeit in Anwesenheit eines Gases. Beispielsweise kann ein Material Sauerstoffmoleküle auf seiner Oberfläche adsorbieren. Dabei können vom Material Elektronen an die Sauerstoffatome abgegeben werden, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Ein zu detektierendes, reduziertes Gas kann vom adsorbierten Sauerstoff oxidiert werden, so dass ein Elektron zurück an das Material abgegeben wird, sodass sich die Leitfähigkeit des Materials verändert. Durch die Widerstands- bzw. Leitfähigkeitsänderung kann dann beispielsweise auf das Gas bzw. dessen Konzentration zurückgeschlossen werden.
Gassensoren auf Grundlage chemischer Eigenschaften können darüber hinaus Pdbasierte Sensoren umfassen. Solche Sensoren können auf der Änderung mechanischer Eigenschaften, bspw. der mechanischen Spannung, der Beanspruchung, und/oder der Dimension oder der Abmessungen, durch Absorption eines zu detektierenden Gases beruhen.
Ferner basieren bisherige Lösungen bspw. auf einem Sensor-System mit mehreren diskreten Sensoren (z.B. Feuchte Sensor, Temperatursensor, Wärmeleitfähigkeitssensor, MOX-Sensor), deren Ausgangssignale in einer zentralen Steuereinheit verrechnet werden.
Bezüglich der vorigen Ausführungen sei drauf hingewiesen, dass ein offenbarungsgemäßer Gassensor einzelne oder mehrerer Aspekte, Eigenschaften oder Funktionalitäten der zuvor beschriebenen Sensoren oder Sensorprinzipien, umfassen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfinder haben erkannt, dass bisherige Ansätze einige Nachteile aufweisen, beispielsweise im Hinblick auf Langzeitstabilität, Zuverlässigkeit und Kosten. Es besteht daher ein Bedarf robuste Gassensoren mit gutem Integrationspotential und geringen Kosten bereitzustellen.
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen einen Gassensor mit einem Heizer, einem Empfänger, und einem zwischen dem Heizer und dem Empfänger angeordneten Raum. Der Heizer ist dazu ausgelegt, um unter Verwendung eines Anregungssignals eine sich durch den Raum ausbreitende thermoakustische Schallwelle zu erzeugen. Der Empfänger ist dabei dazu ausgelegt, um die thermoakustische Schallwelle, die sich durch den Raum ausgebreitet hat, zu empfangen und in ein Empfangssignal umzuwandeln, das eine laufzeitabhängige Verschiebung zu dem Anregungssignal und somit Informationen über eine Gaskonzentration in dem Raum aufweist.
Weitere Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Verfahren zum Bestimmen einer Gaskonzentration. Das Verfahren umfasst ein Anlegen eines Anregungssignals an einen Heizer, um eine thermoakustische Schallwelle zu erzeugen, die sich durch einen, zwischen dem Heizer und einem Empfänger angeordneten, Raum ausbreitet, sowie ein Empfangen der thermoakustischen Schallwelle an dem Empfänger, um ein Empfangssignal zu erzeugen. Ferner umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer laufzeitabhängigen Verschiebung zwischen einem Heizersignal und dem Empfangssignal, und ein Bestimmen der Gaskonzentration in dem Raum, unter Verwendung der bestimmten laufzeitabhängigen Verschiebung.
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung beruhen auf dem Kerngedanken, dass eine laufzeitabhängige Verschiebung eines Empfangssignals zu einem Anregungssignal und damit Informationen über eine Gaskonzentration in einem Raum auf eine solche Art und Weise erfasst werden kann, dass die verwendeten Strukturen ferner verwendet werden können, um einen weiteren Parameter, der Informationen bezüglich eines zu erfassenden Gases enthalten kann, zu erfassen. Dabei erzeugt ein Heizer unter Verwendung des Anregungssignals eine thermoakustische Schallwelle, welche nach einer Ausbreitung durch den Raum mit der zu erfassenden Gaskonzentration von dem Empfänger in das Empfangssignal umgewandelt wird. Die laufzeitabhängige Verschiebung kann beispielsweise gemäß 3 aufgrund unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten der thermoakustischen Schallwelle in Abhängigkeit der Gaskonzentration im Raum verursacht werden. Beispielsweise besonders vorteilhaft kann ein solches Verfahren für Gase angewendet werden, die eine charakteristische Schallgeschwindigkeit aufweisen, wie z.B. Wasserstoff oder Helium (siehe bspw. 3). In anderen Worten kann die Schallgeschwindigkeit der thermoakustischen Schallwelle aufgrund des Zusammenhangs zwischen Gaskonzentration und Schallgeschwindigkeit zur Bestimmung der Gaskonzentration genutzt werden.
Bei dem Anregungssignal kann es sich beispielsweise um ein hochfrequentes Signal (z.B. im Bereich von 10 kHz) handeln. Bei dem Anregungssignal kann es sich ferner um ein periodisches Anregungssignal oder auch einen Puls, oder um eine Folge von Pulsen handeln. Im Falle eines einzelnen Pulses kann beispielsweise eine einfache Messung der Laufzeit des Pulses erfolgen. Im Fall eines periodischen Anregungssignals kann es sich bei der laufzeitabhängigen Verschiebung um einen Phasenversatz der thermoakustischen Schallwelle, aufgrund der gasabhängigen Schallgeschwindigkeiten im Raum, handeln. Ferner ist auch eine Überlagerung von Frequenzen in einem kurzen Puls möglich, mit anschließender Laufzeitmessung.
Da offenbarungsgemäß eine thermoakustische Schallwelle durch einen Heizer erzeugt wird, können die verwendeten Strukturen, beispielsweise der Heizer, ferner verwendet werden, um einen weiteren Parameter, der Informationen bezüglich eines zu erfassenden Gases enthalten kann, wie z.B. der thermischen Leitfähigkeit, zu erfassen. Somit ermöglichen Beispiele der Offenbarung, mehrere Parameter in einem integrierten Sensor zu erfassen.
Durch das offenbarungsgemäße Konzept mit der Erzeugung der thermoakustischen Schallwelle durch den Heizer, kann ein entsprechender Gassensor besonders robust und ausfallsicher sein, beispielsweise aufgrund der Vermeidung von beweglichen Teilen. Im Gegensatz zur Erzeugung einer Schallwelle z.B. durch eine Membran kann ein Heizer neben einer geringeren Wahrscheinlichkeit für einen mechanischen Ausfall darüber hinaus beispielsweise kostengünstiger produziert werden.
Ferner ermöglicht ein offenbarungsgemäßer Gassensor eine Auswertung des Empfangssignals mit geringem Rechenaufwand, da die Bestimmung der laufzeitabhängigen Verschiebung mit einfachen Rechenoperation erfolgen kann und insbesondere bei Systemen mit geringen Rechenkapazitäten die Auswertung der laufzeitabhängigen Verschiebung zum Beispiel nur eine Bestimmung der Signallaufzeit, zum Beispiel eines durch den Heizer erzeugten Pulssignals, umfassen kann.
Figurenliste
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schematischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der offenbarungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 eine schematische Seitenansicht eines erweiterten Beispiels eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 eine Auftragung von Schallgeschwindigkeiten für verschiedene Gase;
4 eine Auftragung von spezifischen Wärmekapazitäten für verschiedene Gase;
5 eine Auftragung von Wärmeleitfähigkeiten für verschiedene Gase;
6 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer Mikrofonmembran;
7 eine schematische Draufsicht des Beispiels des Gassensors aus 6;
8 einen schematischen Signalverlauf von Empfangssignal und Heizersignal gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung;
9 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einem Temperatursensor; und
10 eine schematische Draufsicht des Beispiels des Gassensors aus 9.

Detaillierte Beschreibung der Beispiele gemäß den Figuren
Bevor nachfolgend Beispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Beispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
1 zeigt einen Gassensor 100 mit einem Heizer 110 und einem Empfänger 120. Zwischen dem Heizer 110 und dem Empfänger 120 ist ein Raum 130 angeordnet, in welchem sich eine thermoakustische Schallwelle 140 ausbreitet.
Der Empfänger 120 kann ein Mikrofon oder eine Mikrofonmembran und/oder einen Temperatursensor, bspw. mit einer dünnen Membran aufweisen. Bei dem Heizer 110 kann es sich um eine in einem MEMS-Element gebildete Heiz-Struktur, beispielsweise eine Leiterbahn handeln.
Der Heizer 110 erzeugt unter Verwendung eines Anregungssignals eine sich durch den Raum 130 ausbreitende thermoakustische Schallwelle 140. Durch Gase bzw. Gaskonzentrationen und der damit veränderten Schallgeschwindigkeit in dem Raum 130 kommt es zu einer laufzeitabhängigen Verschiebung, bspw. Verzögerung, der thermoakustischen Schallwelle 140. Die thermoakustische Schallwelle 140 wird im Empfänger 120 empfangen und in ein Empfangssignal umgewandelt. Durch die laufzeitabhängige Verschiebung der thermoakustischen Schallwelle 140 entsteht eine laufzeitabhängige Verschiebung des Empfangssignals im Vergleich zu dem Anregungssignal. Durch Auswertung der laufzeitabhängigen Verschiebung kann eine Information über die Gaskonzentration in dem Raum 130 bestimmt werden.
Vor der detaillierten Erklärung der weiteren Figuren werden im Folgenden zuerst weitere Beispiele und Aspekte und/oder Abwandlungen von Beispielen und Aspekten gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
Bei weiteren Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Empfänger ein Mikrofon auf. Bei dem Mikrofon kann sich um eine Mikrofonmembran handeln. Mikrofone bilden ausgereifte Sensorelemente, deren Signale für eine folgende Weiterverarbeitung mit einfachen Methoden verstärkt und analysiert werden können. Ferner ermöglichen Mikrofone neben der Extraktion einer Frequenz- oder Phaseninformation, z.B. zur Bestimmung der laufzeitabhängigen Verschiebung, auch die Auswertung einer Amplitudeninformation, zum Beispiel im Hinblick auf eine Signaldämpfung, so dass weitere Analysen zum Beispiel bezüglich einer gasabhängigen Wärmeleitfähigkeit des zwischen dem Heizer und dem Empfänger angeordneten Raumes ermöglicht werden können.
Bei weiteren Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Empfänger einen Temperatursensor auf. Bei dem Temperatursensor kann es sich um eine dünne Membran handeln. Ferner kann ein solcher Temperatursensor ein temperatursensitives Sensorelement, z.B. in Form eines Stegs, oder eines Stegs innerhalb einer Ausnehmung einer Sensorstruktur des Temperatursensors aufweisen. Ein derartiges Sensorelement kann als Leiterbahn mit temperaturabhängigem Widerstand ausgeführt sein, sodass eine auftreffende thermoakustische Welle zu einer Erwärmung und damit einer erfassbaren Widerstandsänderung führen kann.
Durch die Verwendung eines Temperatursensors kann die Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit des zwischen dem Heizer und dem Empfänger angeordneten Raumes ermöglicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Raumes ist dabei von einer Gaskonzentration im Raum abhängig, so dass durch die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, zusätzlich zur Bestimmung der Gaskonzentration durch die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mittels der Bestimmung einer laufzeitabhängigen Verschiebung durch den Temperatursensor, oder alleinig, auf die Gaskonzentration geschlossen werden kann. Darüber hinaus können Temperatursensoren ohne bewegliche Elemente ausgebildet sein, so dass diese beispielsweise im Vergleich zu einer Mikrofonmembran robuster bzw. ausfallsicherer sein können.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Gassensor eine Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Phasenverschiebung zwischen dem Empfangssignal und einem Heizersignal oder basierend auf dem Empfangssignal eine Laufzeit der thermoakustischen Welle durch den Raum zu bestimmen, die jeweils ein Maß für die Gaskonzentration in dem Raum sind.
Für den Fall eines periodischen Heizersignals kann die Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung einen Phasendetektor aufweisen, um eine laufzeitabhängige Verschiebung zwischen dem Heizersignal und dem Empfangssignal in Form einer Phasenverschiebung zu bestimmen.
Bei alternativen Beispielen kann es sich bei dem Heizersignal um einen Puls oder ein gepulstes Signal handeln. Dabei kann die Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung die Laufzeit des Signals basierend auf dem Zeitversatz zwischen Empfangssignal und Heizersignal, oder basierend auf dem Empfangssignal und einer Zeitinformation bestimmen. Bei der Zeitinformation kann es sich um den Zeitpunkt des Aussendens des Pulses, oder des gepulsten Signals handeln, sodass, mit einer durch das Empfangssignal zur Verfügung stehenden Information über die Ankunftszeit des Signals, die Zeitdifferenz zwischen Aussenden und Empfangen des Pulses oder des gepulsten Signals und damit die Signallaufzeit bzw. die laufzeitabhängige Verschiebung bestimmt werden kann.
Die Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung kann in den Gassensor integriert sein, so dass der Gassensor ein Signal ausgeben kann, das die Gaskonzentration angibt. Die Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung kann auch außerhalb des Sensors angeordnet sein, so dass der Gassensor dazu ausgelegt sein kann, ein Signal auszugeben, welches eine Bestimmung der Gaskonzentration ermöglicht.
Durch die Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung kann ein Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit einer thermoakustischen Welle und einer Gaskonzentration, siehe beispielsweise 3, ausgenutzt werden. Insbesondere für Gase mit charakteristischer Schallgeschwindigkeit kann damit mit beispielsweise geringer Fehleranfälligkeit ein Maß für die Gaskonzentration bestimmt werden.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist das Heizersignal das Anregungssignal oder ein Temperatursignal, das eine Temperatur des Heizers angibt. Durch die Verwendung des Anregungssignals als Heizersignal steht ohne weiteren Aufwand, zum Beispiel im Hinblick auf weitere Hardware, ein Signal zur Auswertung zur Verfügung. Das Temperatursignal kann ferner verwendet werden, um eine Wärmeleitfähigkeit des an den Heizer angrenzenden Raums zu erfassen. Besteht die Möglichkeit, die Temperatur des Heizers zu erfassen, kann dadurch die Genauigkeit einer Auswertung verbessert werden, da die Messung beispielsweise den Einfluss von Modelungenauigkeiten oder Toleranzen abschwächen kann. So kann beispielsweise die thermoakustische Schallwelle, die vom Heizer ausgesendet wird, unter idealen Bedingungen in Abhängigkeit des Anregungssignals berechnet werden, sodass mit dem Empfangssignal auf eine Veränderung der thermoakustischen Schallwelle aufgrund einer Gaskonzentration zurückgerechnet werden kann. Durch Modellungenauigkeiten oder Toleranzen des Heizers kann dieser Zusammenhang beispielsweise jedoch nicht den idealen Bedingungen, beispielsweise Normbedingungen, entsprechen, sodass eine berechnete gesendete thermoakustische Schallwelle, nicht der tatsächlich ausgesendeten thermoakustischen Schallwelle entspricht. Eine Messung der Temperatur des Heizers kann somit Unsicherheiten verringern.
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen Gassensoren, bei denen der elektrische Widerstand des Heizers temperaturabhängig ist, und die dazu ausgelegt sind, um das Temperatursignal in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand des Heizers zu erzeugen. Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands des Heizers kann beispielsweise a priori bestimmt werden, sodass die eigentliche Bestimmung der Temperatur des Heizers im Betrieb mit einer bspw. einfachen Strom- oder Spannungsmessung umgesetzt werden kann. Es kann entweder ein Strom angelegt und eine Spannung erfasst, oder eine Spannung angelegt und ein Strom erfasst werden. Beispielsweise mit Hinterlegung einer Temperatur-Strom -oder Spannungstabelle kann ohne oder mit geringem Rechenaufwand die Temperatur des Heizers bestimmt werden.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Gassensor ferner eine Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung auf, die ausgelegt ist, um unter Verwendung des Heizersignals die Wärmeleitfähigkeit des Raums, die von der Gaskonzentration in dem Raum abhängt, zu bestimmen.
Für den Fall, dass das Heizersignal ein Temperatursignal, das eine Temperatur des Heizers angibt, umfasst, kann die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit auf Grundlage der von Heizer abgestrahlten Wärmeenergie oder Wärmeleistung erfolgen. Die Temperatur des Heizers ist abhängig von der abgestrahlten Wärme. Die Wärmeenergie oder Wärmeleistung, die abgestrahlt wird ist wiederum von der Wärmeleitfähigkeit des Raums abhängig. Bei beispielsweise bekannten Material und Geometrieinformationen von Heizer und Raum kann somit durch die Temperatur des Heizers auf die Wärmeleitfähigkeit zurückgeschlossen werden. Beispielsweise kann bei einem starken Aufheizen des Heizers eine kleine Wärmeleitfähigkeit im Raum vorherrschen und bei einem schwachen Aufheizen eine große Wärmeleitfähigkeit.
In anderen Worten kann beispielsweise eine bekannte Leistung auf den Heizer aufgebracht werden. Aus der Messung der Temperatur des Heizers kann auf die abgestrahlte Wärmeenergie oder Wärmeleistung zurückgeschlossen werden und damit auf die Wärmeleitfähigkeit im Raum.
Alternativ oder zusätzlich kann mit Kenntnis des Anregungssignals und bspw. eines Modells des Heizers auf eine zu erwartende Temperatur des Heizers geschlossen werden, und mit der Ist-Temperatur des Heizers verglichen werden. Daraus kann auf die abgestrahlte Wärme und damit auf die Warmleitfähigkeit des Raums zurückgeschlossen werden.
Bei weiteren Beispielen kann die Amplitude der im Empfänger empfangenen thermoakustischen Schallwelle bestimmt werden und mit der korrespondierenden Ausgangsamplitude der vom Heizer ausgesendeten thermoakustischen Schallwelle, bspw. berechnet über den Zusammenhang der thermoakustischen Schallwelle mit dem Anregungssignals oder bestimmt aus einem zugehörigen Temperatursignal des Heizers, verglichen werden, um dadurch Rückschlüsse auf die Wärmeleitfähigkeit des Raumes zu ziehen.
Ferner kann das Temperatursignal mit weiteren bekannten Verfahren, bspw. mit der 3-Omega-Methode verwendet werden, um dadurch Rückschlüsse auf die Wärmeleitfähigkeit des Raumes zu ziehen.
Die Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung kann sowohl in den Gassensor integriert sein, als auch außerhalb des Sensors angeordnet sein, so dass der Gassensor dazu ausgelegt sein kann, ein Signal auszugeben, welches die Wärmeleitfähigkeit angibt oder welches eine Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ermöglicht.
Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit bietet neben der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit eine Möglichkeit, Gase bzw. Gaskonzentrationen zu bestimmen. Durch eine Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit zusätzlich zu einer Bestimmung der Schallgeschwindigkeit kann ein redundanter und damit besonders robuster Gassensor realisiert werden, der beispielsweise besonders vorteilhaft in sicherheitskritischen Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Neben der Verwendung des Anregungssignals zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit kann auch das Temperatursignal zusätzlich oder alternativ verwendet werden.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Gassensor eine Treiberschaltung auf, die ausgelegt ist, um das Anregungssignal an den Heizer anzulegen. Die Treiberschaltung kann dazu ausgelegt sein, verschiedene Anregungssignale an den Heizer anzulegen, beispielsweise Pulse oder periodische Anregungssignale. Ferner kann die Treiberschaltung dazu ausgelegt sein, zwischen verschiedenen Anregungssignalen zu wechseln, zum Beispiel um verschiedene Arten der Auswertung zu ermöglichen, um beispielsweise Fehlerquellen in der Übertragung oder der Auswertung zu verringern. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung dazu ausgelegt sein, das Anregungssignal zu erzeugen.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind zumindest der Heizer, der Empfänger, und der zwischen dem Heizer und dem Empfänger angeordnete Raum in ein Mikrosystem oder MEMS-System (Micro-Electro-Mechanical Systems, dt.: Mikro-ElektroMechanische-Systeme) integriert. Mikrosysteme oder MEMS-System können dabei Systeme mit Abmessungen im Mikrometerbereich und darunter, beispielsweise mit Abmessungen kleiner als 100 µm, oder kleiner als 1 µm, umfassen. Unter Mikrosystemen bzw. MEMS-Systemen sind somit hierin auch Systeme zu verstehen, deren Strukturen Abmessungen im Nanometer-Bereich aufweisen, die auch als NEMS-Systeme, d.h. nanoelektromechanisches Systeme, bezeichnet werden.
MEMS-Systeme umfassen ferner Systeme mit elektrischen und mechanischen Komponenten, wobei hierbei auch unbewegliche mechanische Komponenten gemeint sind. Allgemein umfassen Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung Gassensoren, die integriert oder teilintegriert in Mikrosysteme oder MEMS-Systeme sind, wobei entsprechende Systeme nicht zwingend bewegliche Elementen aufweisen müssen.
Solche Systeme können ferner unter der Verwendung eines oder mehrerer Wafer, bspw. Si- oder SiO-Wafern, von Bulk-Mikromechanik, oder Oberflächenmikromechanik realisiert sein. Beispielsweise können die Strukturen mit Methoden der Halbleitertechnologie im Nanometer- und/oder Mikrometer-Bereich hergestellt werden, wobei die Strukturen auch andere Materialien als Halbleiter aufweisen können. Darüber hinaus können die Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung und/oder die Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung, und/oder Treiberschaltung ebenfalls integriert sein. Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen damit integrierte Mikrostrukturen, bspw. Mikrostrukturen mit integriertem oder teilintegriertem Gassensor, oder mit integrierten Elementen oder Teilelementen des Gassensors.
Durch einen hohen Integrationsgrad kann eine Miniaturisierung des Gassensors bzw. von Teilen des Gassensors begünstigt werden. Durch eine integrierte Bauweise können ferner Kosten gespart werden und darüber hinaus Gesamtlösungen mit umfangreicher Funktionalität bereitgestellt werden.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist das Mikrosystem oder MEMS-System einen ersten Anschluss zum Anlegen des Anregungssignals an den Heizer und einen zweiten Anschluss zum Ausgeben des Empfangssignals auf.
Durch eine solche Wahl der Schnittstellen kann eine gute Modularisierbarkeit des Gassensors bzw. des Gesamtsystems gegeben sein. Dadurch können je nach Anwendung beispielsweise verschiedene Treiberschaltungen zur Erzeugung des Anregungssignals verwendet werden und/oder verschiedene Schaltungen zur Analyse des Empfangssignals. Ferner kann durch ein solches Konzept eine einfache Integration in ein übergeordnetes System ermöglicht werden.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Heizer auf einer ersten Seite eines Hohlraums in dem Mikrosystem angeordnet und der Empfänger weist eine Membran auf, die beabstandet von dem Heizer auf einer zweiten Seite des Hohlraums in dem Mikrosystem oder MEMS-System angeordnet ist. Die zweite Seite des Hohlraums kann beispielsweise eine der ersten Seite des Hohlraums gegenüberliegende Seite sein.
Durch eine derartige Anordnung von Heizer und Membran kann beispielsweise trotz begrenztem Bauraum des Mikrosystems oder MEMS-Systems eine gute Sensitivität des Gassensors erzielt werden, da beispielsweise eine möglichst große Strecke, im Anbetracht des zur Verfügung stehenden Bauraums, von der thermoakustischen Schallwelle vor dem Auftreffen auf die Membran durchschritten wird. Dadurch kann beispielsweise der Einfluss eines Gases im Hohlraum auf die thermoakustische Schallwelle in ausreichendem Maße ermöglicht werden, zum Beispiel im Hinblick auf eine Signalverzögerung oder eine Verringerung der Signalamplitude, um ein aussagekräftiges Ergebnis für die Gaskonzentration erzielen zu können.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist das Heizersignal ein periodisches Signal und das Bestimmen der laufzeitabhängigen Verschiebung weist ein Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen dem Empfangssignal und dem Heizersignal auf. Die Anregung mit ein periodischen Heizersignal kann beispielsweise energetisch günstig durch einen Schwingkreis erfolgen, sodass ein offenbarungsgemäßer Gassensor einen geringen Energiebedarf aufweisen kann.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist das Bestimmen der laufzeitabhängigen Verschiebung ein Bestimmen einer Laufzeit der thermoakustischen Schallwelle durch den Raum auf. Durch die Bestimmung der Laufzeit der thermoakustischen Schallwelle kann auf die Schallgeschwindigkeit und damit auf die Gaskonzentration zurückgeschlossen werden. Ferner kann durch eine Analyse der thermoakustischen Schallwelle eine mögliche Fehlerquelle in der Umwandlung der thermoakustischen Schallwelle in ein Empfangssignal verringert oder umgangen werden.
Weitere Aspekte gemäß der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden anhand der weiteren Figuren beschrieben.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erweiterten Beispiels eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt die Anordnung aus 1, die den Heizer 110, den Empfänger 120, der ein Mikrofon und/oder einen Temperatursensor umfassen kann, und den zwischen dem Heizer und dem Empfänger angeordneten Raum 130 aufweist, sowie die thermoakustische Schallwelle 140 ein Anregungssignal 210 und ein Empfangssignal 220. Darüber hinaus sind eine Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung 230, sowie die zugehörigen jeweiligen Signale, auf deren Grundlage die Bestimmung der Phasenverschiebung oder der Laufzeit erfolgt, gezeigt. Zur Bestimmung der Phasenverschiebungen oder der Laufzeit der thermoakustischen Schallwelle können hierbei ein Empfangssignal 220 und das Heizersignal 250 Eingang finden. Bei Beispielen kann anstelle des Heizersignals eine Zeitinformation zur Bestimmung der Laufzeit verwendet werden.
Das Heizersignal 250 kann das Anregungssignal 210 oder das Temperatursignal 260, das die Temperatur des Heizer 110 angibt, umfassen. Diese Möglichkeiten für das Heizersignal 250 sind in der Figur durch eine Signalweiche 240 angedeutet. Die Signalweiche 240 dient dabei lediglich zur Verdeutlichung der möglichen Signaleingänge der Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung 230, so dass bei Beispielen auch nur einer der beiden Signalpfade ausgebildet sein kann, oder sodass auch beispielsweise beide Signalpfade ausgebildet sein können.
2 zeigt außerdem eine Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung 270 zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Raums 130. Eingangssignal der Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung 270 ist das Heizersignal 250. Bei Beispielen des in 2 gezeigten Sensors kann die Wärmeleitfähigkeitsbestimmungsschaltung 270 weggelassen sein.
Im Weiteren zeigt 2 eine Treiberschaltung 280, sowie ein Mikrosystem oder MEMS-System 290 in welches der Heizer 110, der Empfänger 120 und der Raum 130 zwischen dem Heizer und dem Empfänger integriert sind. Dabei sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch weitere Elemente in das Mikrosystem oder MEMS-System 290 integriert sein können, beispielsweise die Gaskonzentration-Bestimmungsschaltung 230, und/oder die Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung 270 und/oder die Treiberschaltung 280. Das Mikrosystem oder MEMS-System 290 weist ferner einen ersten Anschluss 300 und zweiten Anschluss 310 auf, wobei am ersten Anschluss 300 das Anregungssignal 210 anliegt und am zweiten Anschluss 310 das Empfangssignal 220 ausgegeben wird. Bei Beispielen, bei denen weitere Komponenten in das Mikrosystem oder MEMS-System 290 integriert sind, müssen die Anschlüsse 300, 310 nicht vorgesehen sein.
Die Treiberschaltung 280 ist dazu ausgelegt, um das Anregungssignal 210 an den Heizer 110 anzulegen. Die Treiberschaltung 280 kann bei Beispielen ferner das Anregungssignal 210 erzeugen. Bei dem Anregungssignal 210 kann es sich einzelne Pulse, um eine Folge von Pulsen, um eine Überlagerung von Frequenzen in einem kurzen Puls oder um periodische, zum Beispiel kontinuierliche, Signale handeln.
Das Anregungssignal 210 kann eine Frequenz im Kilohertz-Bereich aufweisen, beispielsweise im Bereich um 10 kHz. Unter Verwendung des Anregungssignals 210 erzeugt der Heizer 110 eine sich durch den Raum 130 ausbreitende thermoakustische Schallwelle 140. Die thermoakustische Schallwelle 140 bewegt sich mit einer Schallgeschwindigkeit durch den Raum 130. Diese Schallgeschwindigkeit ist abhängig von dem oder den Gasen bzw. den Konzentrationen der Gase im Raum 130, siehe beispielsweise 3. Ferner kann die Wärmeleitfähigkeit des Raums 130 mit dem oder den Gasen die thermoakustische Schallwelle 140 beeinflussen. Der Empfänger 120 wandelt die beeinflusste thermoakustische Schallwelle 140 in ein Empfangssignal 220 um. Das Empfangssignal 220 wird am zweiten Anschluss 310 ausgegeben. Die Analyse des Empfangssignals 220 erfolgt in der Gaskonzentration-Bestimmungsschaltung 230.
In der Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung 230 wird auf Grundlage des Empfangssignals 220 und des Heizersignals 250 eine Phasenverschiebung zwischen den Empfangssignal 220 und dem Heizersignal 250 oder eine Laufzeit der thermoakustischen Welle 140 zumindest basierend auf dem Empfangssignal 220 bestimmt.
In der Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung 270 wird die Wärmeleitfähigkeit des Raums, welche von der Gaskonzentration im Raum abhängt, auf Grundlage des Heizersignals 250 bestimmt. Beispielsweise könnte aus dem Heizersignal 250 eine Signalamplitude der thermoakustischen Welle 140 bestimmt werden und mit der Amplitude der thermoakustischen Welle beim Auftreffen auf den Empfänger 120, z.B. mit Hilfe eines Temperatursensors im Empfänger, verglichen werden, um bspw. eine Signaldämpfung und die Wärmeleitfähigkeit zu bestimmen, um daraus wiederum auf die Gaskonzentration im Raum zurück zu schließen.
Alternativ oder zusätzlich kann erfasst werden, wie viel Wärme, oder Wärmeleistung, durch Wärmetransport von dem Heizer 110 durch den Raum 130 abgeleitet wird, um basierend darauf auf die Wärmeleitfähigkeit zu schließen. Dies kann dadurch geschehen, dass die Temperatur des Heizers 110 mit einem Modell verglichen wird, was es ermöglich, auf die Wärmeleitfähigkeit zurückzuschließen. Ferner kann auch die angegebene 3-Omega-Methode angewendet werden.
Die Ergebnisse der Gaskonzentration-Bestimmungsschaltung 230 und der Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung 270 können in den jeweiligen Bestimmungsschaltungen weiterverarbeitet werden, beispielsweise zur Bestimmung der Gaskonzentration im Raum 130. Die Ergebnisse können jedoch auch in einem oder mehreren weiteren Schaltungsteilen außerhalb der jeweiligen Bestimmungsschaltung weiterverarbeitet werden. Ferner können die Ergebnisse für die Gaskonzentration auf Grundlage der beiden Bestimmungsschaltungen zur Bestimmung eines Gesamtergebnisses verrechnet werden, zum Beispiel über eine Mittelung.
6 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer Mikrofonmembran. 7 zeigt eine schematische Draufsicht des Beispiels des Gassensors aus 6.
6 und 7 zeigen einen Gassensor 600 mit einer Heizer-Struktur 610 und einer Mikrofonmembran 620, die an einer Stützstruktur 630 befestigt sind. Eine Heizer-Struktur 610 kann dabei eine Ausführungsform eines zuvor beschriebenen Heizers bilden. Zwischen der Heizer-Struktur 610 und der Mikrofonmembran 620 ist ein Raum 130 angeordnet. Die Stützstruktur 630 kann durch strukturierte und/oder unstrukturierte Schichten eines Mikrosystems oder MEMS-Systems gebildet sein. In dem Raum breitet sich eine thermoakustische Welle 140, angedeutet durch einen Pfeil, aus. Die Heizer-Struktur 610 ist als ein durch eine Leiterbahn gebildeten Steg ausgebildet, kann aber auch als eine Membran ausgebildet sein. Die Mikrofonmembran 620 weist einen runden Querschnitt auf, mit einer runden Ausnehmung 640 in der Mitte. Der Steg der Heizer-Struktur 610 ist so angeordnet, dass er mittig die Ausnehmung 640 der Mikrofonmembran 620 kreuzt.
Die Heizer-Struktur 610 kann elektronisch gepulst geheizt werden. Durch das zyklische Erwärmen entsteht in der Nähe der Heizer-Struktur 610 die thermoakustische Schallwelle 140. Die thermoakustische Schallwelle 140 wird von der Mikrofonmembran 620 aufgenommen, welche in der zweiten Ebene unterhalb der Heizer-Struktur 610 integriert ist. Durch eine laufzeitabhängige Verschiebung, bspw. eine Phasenverschiebung, z.B. der durch die Mikrofonmembran 620 aufgenommenen thermoakustischen Schallwelle 140 oder des Empfangssignals, welche abhängig von der Laufzeit des Signals, beispielsweise der Laufzeit der thermoakustischen Schallwelle 140 ist, lässt sich die Schallgeschwindigkeit ableiten. Durch die Schallgeschwindigkeit kann auf ein Gas oder eine Gaskonzentration zurückgeschlossen werden. Der Gassensor 600 kann ein voll integriertes Sensorsystem bilden, mit dem die Temperatur, die Wärmeleitfähigkeit und die Schallgeschwindigkeit innerhalb eines Gasgemisches, beispielsweise im Raum 130 gemessen werden kann.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung, beispielsweise unter Verwendung des in den 6 und 7 gezeigten Sensors, ermöglichen ein Verfahren mit folgenden Merkmalen: Stimulation einer Heizer-Struktur 610, beispielsweise mit einer Frequenz ~10 kHz, Erzeugung einer thermoakustischen Schallwelle 140, Propagation der Schallwelle mit Schallgeschwindigkeit, Detektion der Schallwelle mit einer Mikrofonmembran 620 bzw. einem Mikrofon, Bestimmung eines Phasenversatzes bzw. einer Phasenverschiebung (bspw. Φ) oder einer Laufzeit oder einer Laufzeitverzögerung des akustischen Signals abhängig von der Schallgeschwindigkeit. Daneben kann bei Beispielen der Sensor ausgebildet sein, um die Wärmeleitfähigkeit zu erfassen und somit kann der Gassensor einen thermischen Wärmeleitfähigkeitssensor bilden.
8 zeigt einen schematischen Signalverlauf von Empfangssignal und Heizersignal gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung. Bei dem Heizersignal kann es sich hierbei um das Anregungssignal oder die Temperatur des Heizers handeln. Bei dem Empfangssignal kann es sich um das Mikrofonsignal, bzw. um das, durch die Mikrofonmembran aufgenommene, Signal, oder um ein weiteres Temperatursignal, bspw. ein Temperatursignal des Empfängers, z.B. eines Temperatursensors, welcher den Empfänger bildet oder Teil des Empfängers ist, handeln. Ferner zeigt 8 ein Beispiel einer laufzeitabhängigen Verschiebung, bspw. einer Phasenverschiebung, z.B. Φ zwischen Anregungs- und Empfangssignal.
Aus dem Heizer- und Empfangssignal kann die laufzeitabhängige Verschiebung bestimmt werden, womit wiederum auf die Schallgeschwindigkeit der thermoakustischen Welle im Raum zurückgeschlossen werden kann. Daraus kann auf ein Gas bzw. eine Gaskonzentration im Raum geschlossen werden.
Für den Fall eines periodischen Heizersignals, wie in 8 gezeigt, kann die laufzeitabhängige Verschiebung in Form einer Phasenverschiebung bestimmt werden. Dazu kann die Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung einen Phasendetektor aufweisen, um aus einem Vergleich zwischen Heizersignal, beispielsweise in Form des Anregungssignals, oder der Temperatur des Heizers, und Empfangssignal die Phasenverschiebung zu bestimmen.
Dabei sei darauf hingewiesen dass es sich bei den Signalverläufen gemäß 8 nur um beispielhafte Verläufe handelt. Bei dem Heizersignal kann es sich auch um einen einzelnen Puls oder eine Folge von Pulsen handeln, bei dem Empfangssignal um ein entsprechend verzögertes Signal. In diesem Fall kann die laufzeitabhängige Verschiebung in Form einer Signallaufzeit, oder Signalverzögerung bestimmt werden. Dazu kann in der Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung ein Vergleich des Heizersignals und des Empfangssignals stattfinden. Aus dem zeitlichen Versatz der beiden Signale kann die Verschiebung bestimmt werden.
Eine beispielsweise einfacher anwendbare Möglichkeit bildet ferner die Auswertung des Empfangssignals zusammen mit einer Zeitinformation in der Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung. Bei der Zeitinformation kann es sich um eine Zeitinformation des Heizersignals, oder bspw. den Zeitpunkt des Aussendens der thermoakustischen Welle handeln. Aus der Zeitinformation oder dem Zeitpunkt des Aussendens kann entsprechend der Ankunftszeit des Empfangssignals oder dem Empfangssignal selbst die laufzeitabhängige Verzögerung bestimmt werden.
9 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einem Temperatursensor. 10 zeigt eine schematische Draufsicht des Beispiels des Gassensors aus 9.
9 und 10 zeigen einen Gassensor 900, mit einer Heizer-Struktur 610 und einem Temperatursensor 910, bspw. mit einer dünnen Membran, die an einer Stützstruktur 630 befestigt sind. Eine Heizer-Struktur 610 kann dabei eine Ausführungsform eines zuvor beschriebenen Heizers bilden, ferner kann bspw. der Temperatursensor 910 den zuvor beschriebenen Empfänger bilden oder Teil des Empfängers sein. Der Temperatursensor umfasst eine Sensorstruktur 930 und ein Sensorelement 940. Zwischen der Heizer-Struktur 610 und dem Temperatursensor 910 ist der Raum 130 angeordnet. Die Stützstruktur 630 kann durch strukturierte und/oder unstrukturierte Schichten eines Mikrosystems oder MEMS-Systems gebildet sein. In dem Raum breitet sich eine thermische Schallwelle 920, angedeutet durch einen Pfeil, aus. Die Heizer-Struktur 610 kann dabei einen Temperaturemitter bilden. Der Temperatursensor 910 weist einen runden Querschnitt auf, mit einer runden Ausnehmung, in der das Sensorelement 940 angeordnet ist. Das Sensorelement 940 ist als Steg ausgebildet und weist einen temperaturabhängigen Widerstand auf. Die Heizer-Struktur 610 ist ebenfalls als Steg ausgebildet und so angeordnet, dass der Steg der Heizer-Struktur 610 die Ausnehmung des Temperatursensors 910 mittig, senkrecht zu dem Sensorelement 940 des Temperatursensors 910 kreuzt.
Der Temperatursensor 910 oder das Sensorelement 940 kann eine geringe Wärmekapazität aufweisen und kann zur Erfassung der thermoakustischen Schallwelle, die sich durch den Raum ausgebreitet hat, genutzt werden. Der Temperatursensor 910 kann ferner der Frequenz des Temperaturemitters, beispielsweise der Heizer-Struktur 610 folgen. Beispielsweise kann die Heizer-Struktur 610 eine thermische Schallwelle 920 aussenden, angeregt durch ein Anregungssignal mit einer bestimmten Frequenz, sodass nach dem die thermische Schallwelle 920 den Raum, zwischen der Heizer-Struktur 610 und dem Temperatursensor 910 durchlaufen hat die Welle auf den Temperatursensor 910 trifft, wobei zum Beispiel die Frequenz des Empfangssignals des Temperatursensors der Frequenz der Heizer-Struktur 610 bzw. des Temperaturemitters entspricht.
Ferner kann der Gassensor 900 einen Frequenzbereich von einem oder einigen Hertz bis 100 kHz aufweisen, beispielsweise kann der Temperatursensor 910 oder das Sensorelement 940 nur in einem solchen Frequenzbereich dem Temperaturemitter 610 folgen. Frequenzbereiche können dabei Frequenzen des Anregungssignals und/oder des Empfangssignals beschreiben.
Die laufzeitabhängige Signalverschiebung oder die Phasenverschiebung und die Höhe des Signals z.B. die Amplitude des Signals, beispielsweise des Empfangssignals oder Temperatursignals am Temperatursensor, beispielsweise zwischen Temperaturemitter und Temperatursensor ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gases und darüber hinaus abhängig von Druck und Temperatur.
Somit kann, bei beispielsweise bekanntem Druck und bekannter Temperatur, über den Zusammenhang mit der Wärmeleitfähigkeit, z.B. gemäß 5 auf ein Gas beziehungsweise die Konzentration des Gases im Raum zurückgeschlossen werden.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung, beispielsweise unter Verwendung des in den 9 und 10 gezeigten Sensors, ermöglichen ein Verfahren mit folgenden Merkmalen:

Stimulation der Heizer-Struktur 610, beispielsweise mit einer Frequenz ~10 kHz, Erzeugung einer thermischen Schallwelle 920, Propagation der thermischen Schallwelle mit Schallgeschwindigkeit, Detektion der Schallwelle mit dem Temperatursensor 910 und/oder mit dem Sensorelement 940, Bestimmung eines Phasenversatzes bzw. einer Phasenverschiebung (bspw. Φ) oder einer Laufzeit oder einer Laufzeitverzögerung des akustischen Signals abhängig von der Schallgeschwindigkeit.

Ein Gassensor gemäß 9 und 10 kann einen einfachen Aufbau des Gassensors ermöglichen, sodass der Gassensor bspw. als Vorteil weniger kompliziert, z.B. im Hinblick auf eine Fertigung oder Störanfälligkeit, z.B. im Vergleich zum vorgestellten Aufbau der 6 und 7 sein kann.
Alle hierin aufgeführten Aufzählungen der Materialien, Umwelteinflüsse, elektrischen Eigenschaften und optischen Eigenschaften sind hierbei als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
Schlussfolgerungen und weitere Anmerkungen
Ganz allgemein schaffen Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung Gassensoren mit mehreren grundsätzlichen, physikalisch basierten und beispielsweise somit sehr robusten Messmethoden. Ferner können diese Messmethoden bzw. offenbarungsgemäße Elemente von Gassensoren auf Basis dieser Messmethoden in einem Mikrosystem oder einem MEMS-Chip verbunden werden. Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglichen ferner eine hohe Integration bzw. einen hohen Integrationsgrad und die Verknüpfung mehrerer Messprinzipien.
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglichen die Reduktion von Systemen, beispielsweise von Gassensoren, auf ein Minimum, zum Beispiel im Hinblick auf Abmessungen oder Fertigungs- und/oder Integrationsaufwand. Beispielsweise könnten komplexe PCB-basierte Aufbauten durch den offenbarungsgemäßen Gassensor in ein Chip-Package integriert werden.
Ganz allgemein schaffen Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung Gassensoren, bei denen eine thermoakustische Schallwelle, welche bei der Messung der Wärmeleitfähigkeit erzeugt wird, gleichzeitig zur Messung der Schallgeschwindigkeit genutzt wird.
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen Systeme, bspw. integrierte Systeme, z.B. Systeme mit integriertem oder teilintegriertem Gassensor, die klein, bspw. mit geringen Dimensionen oder Abmessungen, realisiert werden können und eine geringe Komplexität aufweisen können.
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen Gassensoren, die eine Heizer-Struktur umfassen, welche unter Verwendung eines Anregungssignals, bspw. mit einer hohen Frequenz, zum Aussenden einer thermoakustischen Welle angeregt wird und bei denen die thermoakustische Welle einen Raum mit einer zu detektierenden Gaskonzentration durchschreitet. Anschließend wird bei Beispielen die thermoakustische Welle von einem Empfänger in ein Empfangssignal umgewandelt, welches sowohl im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit, als auch die Schallgeschwindigkeit des gasgefüllten Raums ausgewertet wird. Alternativ kann bei Beispielen das Empfangssignal nur im Hinblick auf die Schallgeschwindigkeit ausgewertet werden und eine Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit erfolgt auf Basis des Heizersignals, welches das Anregungssignal der Heizer-Struktur oder dessen Temperatur umfassen kann.
Bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Omega-3-Methode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, bspw. zusätzlich zu einer offenbarungsgemäßen Bestimmung der Schallgeschwindigkeit der thermoakustischen Welle.
Ganz allgemein wird bei Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit eine vorbestimmte Leistung an die Heizstruktur angelegt und eine Temperatur gemessen. Die gemessene Temperatur hängt dabei von der Gaskonzentration ab.
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen robuste H2-Sensoren.
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen Gassensoren, welche auf der Kombination einer Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit und einer Schallgeschwindigkeit, unter Verwendung einer thermoakustischen Schallwelle, beruhen.
Bei Beispielen kann eine Verarbeitungsschaltung, beispielsweise die Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung oder die Wärmeleitfähigkeitsbestimmungsschaltung, durch beliebige geeignete Schaltungsstrukturen implementiert werden, beispielsweise Mikroprozessorschaltungen, ASIC-Schaltungen, CMOS-Schaltungen und dergleichen. Bei Beispielen kann die Verarbeitungsschaltung als eine Kombination von Hardware-Strukturen und maschinenlesbaren Befehlen implementiert sein. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung einen Prozessor und eine Speichereinrichtung aufweisen, die maschinenlesbare Befehle speichern, die die beschriebenen Funktionalitäten liefern und zur Durchführung von hierin beschriebenen Verfahren führen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden. Bei Beispielen kann die Speichereinrichtung durch beliebige geeignete Speichervorrichtungen implementiert sein, beispielsweise ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash-Speicher, FRAM (ferroelektrischer RAM), MRAM (magnetoresitiver RAM), oder Phasenwechsel-RAM.
Implementierungsalternativen
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Beispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Beispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Beispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Gassensor mit folgenden Merkmalen: einem Heizer, einem Empfänger, und einem zwischen dem Heizer und dem Empfänger angeordneten Raum, wobei der Heizer ausgelegt ist, um unter Verwendung eines Anregungssignals eine sich durch den Raum ausbreitende thermoakustische Schallwelle zu erzeugen, und wobei der Empfänger ausgelegt ist, um die thermoakustische Schallwelle, die sich durch den Raum ausgebreitet hat, zu empfangen und in ein Empfangssignal umzuwandeln, das eine laufzeitabhängige Verschiebung zu dem Anregungssignal und somit Informationen über eine Gaskonzentration in dem Raum aufweist.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem der Empfänger ein Mikrophon aufweist.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem der Empfänger einen Temperatursensor aufweist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine Gaskonzentrations-Bestimmungsschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um eine Phasenverschiebung zwischen dem Empfangssignal und einem Heizersignal oder basierend auf dem Empfangssignal eine Laufzeit der thermoakustischen Welle durch den Raum zu bestimmen, die jeweils ein Maß für die Gaskonzentration in dem Raum sind.
Gassensor nach Anspruch 4, bei dem das Heizersignal das Anregungssignal oder ein Temperatursignal, das eine Temperatur des Heizers angibt, ist.
Gassensor nach Anspruch 5, bei dem der elektrische Widerstand des Heizers temperaturabhängig ist, wobei der Gassensor ausgelegt ist, um das Temperatursignal in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand des Heizers zu erzeugen.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der ferner eine Wärmeleitfähigkeits-Bestimmungsschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um unter Verwendung des Heizersignals die Wärmeleitfähigkeit des Raums, die von der Gaskonzentration in dem Raum abhängt, zu bestimmen.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der eine Treiberschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um das Anregungssignal an den Heizer anzulegen.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zumindest der Heizer, der Empfänger, und der zwischen dem Heizer und dem Empfänger angeordnete Raum in ein Mikrosystem oder MEMS-System integriert sind.
Gassensor nach Anspruch 9, bei dem das Mikrosystem oder MEMS-System einen ersten Anschluss zum Anlegen des Anregungssignals an den Heizer und einen zweiten Anschluss zum Ausgeben des Empfangssignals aufweist.
Gassensor nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Heizer auf einer ersten Seite eines Hohlraums in dem Mikrosystem oder MEMS-System angeordnet ist und der Empfänger eine Membran aufweist, die beabstandet von dem Heizer auf einer zweiten Seite des Hohlraums in dem Mikrosystem oder MEMS-System angeordnet ist.
Verfahren zum Bestimmen einer Gaskonzentration, mit folgenden Merkmalen: Anlegen eines Anregungssignals an einen Heizer, um eine thermoakustische Schallwelle zu erzeugen, die sich durch einen zwischen dem Heizer und einem Empfänger angeordneten Raum ausbreitet, Empfangen der thermoakustischen Schallwelle an dem Empfänger, um ein Empfangssignal zu erzeugen, Bestimmen einer laufzeitabhängigen Verschiebung zwischen einem Heizersignal und dem Empfangssignal, und Bestimmen der Gaskonzentration in dem Raum unter Verwendung der bestimmten laufzeitabhängigen Verschiebung.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Heizersignal ein periodisches Signal ist und das Bestimmen der laufzeitabhängigen Verschiebung ein Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen dem Empfangssignal und dem Heizersignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Bestimmen der laufzeitabhängigen Verschiebung ein Bestimmen einer Laufzeit der thermoakustischen Schallwelle durch den Raum aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Heizersignal das Anregungssignal oder ein Temperatursignal, das eine Temperatur des Heizers angibt, ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der elektrische Widerstand des Heizers temperaturabhängig ist und das Temperatursignal in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand des Heizers erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, das ferner eine Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Raums, die von der Gaskonzentration in dem Raum abhängt, unter Verwendung des Heizersignals aufweist.